KR101307311B1

KR101307311B1 - 배기가스 처리장치

Info

Publication number: KR101307311B1
Application number: KR1020120074536A
Authority: KR
Inventors: 최두석; 정영철; 신석재
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2013-09-10

Abstract

디젤 엔진 시스템에 적용될 수 있는 배기가스 처리장치가 개시된다. 디젤 엔진 시스템은, 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진의 흡기 포트에 연결된 흡기 라인과, 상기 디젤 엔진의 배기 포트에 연결된 배기 라인과, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 흡기 라인의 흡입공기를 압축하는 터보차저와, 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 정화하는 배기가스 정화부를 포함한다. 배기가스 처리장치는 배기 라인으로부터 흡기 라인으로 이어지는 EGR 라인과, 상기 EGR 라인으로 유입되기 전에 배기가스를 냉각시키도록, 상기 배기 라인 상의 상기 EGR 라인과 만나는 위치 또는 그 상류에 설치된 열교환기를 포함한다.

Description

배기가스 처리장치{EXHAUST GAS TREATING EQUIPMENTS}

본 발명은 디젤 엔진 시스템에 적합한 배기가스 처리장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 배기가스의 재순환 구조를 개선한 배기가스 처리장치에 관한 것이다.

디젤 엔진으로부터의 배기가스를 디젤 엔진의 흡기 라인으로 재순환시키는 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation) 장치가 알려져 있다. 배기가스가 디젤 엔진의 흡기 라인으로 재순환될 때 낮은 산소 농도의 상태에서 연소가 수행되며 이에 따라 연소 온도가 낮아지고 NOx의 생성을 억제할 수 있다.

종래의 배기가스 재순환 장치가 적용된 디젤 엔진 시스템에 대하여 간략하게 설명하면 다음과 같다. 디젤 엔진으로 흡입공기를 과급하기 위해 터보차저가 배기 매니폴드의 후방에 배치되고 흡기 라인은 터보차저에 의해 과급된 흡입공기를 디젤 엔진의 연소실로 유입하도록 구성된다. 배기가스의 일부를 흡기 라인(intake line)으로 유도하기 위해 재순환 라인(recirculation line)이 배기 라인(exhaust line)과 흡기 라인 사이에 마련된다. 그리고 배기가스 재순환 라인에는 흡기 라인 내로 유도되는 공기를 냉각하기 위해 EGR 쿨러가 마련된다. 그러나 종래의 배기가스 재순환 장치는 배기가스 재순환 라인으로부터 EGR 쿨러를 제거하는 실시의 구현이 어렵다. 특히, 응축수 또는 오염 성분이 제거되지 않은 배기가스가 흡기 라인 및 디젤 엔진의 연소실로 유입될 우려가 높다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배기 라인에서 배기가스 온도를 낮춘 후 배기가스를 디젤 엔진으로 재순환시키도록 배기가스 재순환 구조를 개선한 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 주어진 환경 또는 조건에 따라 재순환 배기가스를 흡기 라인 상의 여러 위치 중 하나 이상의 위치에서 선택적으로 유입할 수 있게 구성한 개선된 구조의 배기가스 처리장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 배기가스 처리장치는 디젤 엔진 시스템에 적용된다. 이 디젤 엔진 시스템은 디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진의 흡기 포트에 연결된 흡기 라인과, 상기 디젤 엔진의 배기 포트에 연결된 배기 라인과, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 흡기 라인의 흡입공기를 압축하는 터보차저와, 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 정화하는 배기가스 정화부를 포함한다. 또한 상기 배기가스 처리장치는 배기 라인으로부터 흡기 라인으로 이어지는 EGR 라인과, 상기 EGR 라인으로 유입되기 전에 배기가스를 냉각시키도록, 상기 배기 라인 상의 상기 EGR 라인과 만나는 위치 또는 그 상류에 설치된 열교환기를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 EGR 라인은 상기 흡기 라인 상의 복수의 지점에 연결될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 EGR 라인은 상기 배기 라인에 직접 연결되어 그로부터 연장된 상류 라인과 상기 상류 라인으로부터 분기되어 상기 흡기 라인의 제1, 제2 및 제3 지점에 각각 연결되는 제1, 제2 및 제3 하류 라인을 포함하며, 상기 제1, 제2 및 제3 하류 라인에는 제1, 제2 및 제3 밸브가 설치될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 제1 지점은 상기 흡기 라인 상의 에어 클리너 전단에 있고, 상기 제2 지점은 상기 흡기 라인 상의 상기 에어 클리너 후단에서 상기 에어 클리너에 인접해 있고, 상기 제3 지점은 상기 흡기 라인 상의 상기 터보차저 전단에서 상기 터보차저와 인접해 있을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 디젤 엔진 시스템에 적용될 때, 배기 라인에서 배기가스 온도를 낮춘 후 배기가스를 디젤 엔진으로 재순환시킬 수 있는 개선된 구조의 배기가스 처리장치가 구현된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 환경 또는 조건에 따라 재순환 배기가스를 흡기 라인 상의 여러 위치 중 하나 이상의 위치에서 선택적으로 유입할 수 있는 개선된 구조의 배기가스 처리장치가 구현된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존 EGR 쿨러를 제거할 수 있고, EGR 구조를 직접 적용할 수 있게 됨으로 인해서, 경제적이고 단순한 EGR 구조를 갖는 배기가스 처리장치의 구현이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 오염된 배기가스를 디젤 엔진의 연소실로 보내던 기존 EGR 장치와 달리, 정화된 배기가스를 공급하는 방식을 통해 배출가스 저감을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 트레이드_오프(trade-off) 현상에 의해 한계점을 갖고 있던 기존 EGR 방식으로부터 크게 개선되어, NOx와 PM의 동시저감에 효과적이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치가 적용된 디젤 엔진 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치가 적용된 디젤 엔진 시스템의 구성을 도시하고 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 디젤 엔진 시스템은 디젤 엔진(2), 흡기 라인(3), 배기 라인(4), 터보차저(5), 배기가스 정화부(6) 및 배기가스 재순환 라인, 즉, EGR 라인(7)을 포함한다. 배기가스 처리장치는 배기가스의 배기, 배기가스의 정화, 배기가스의 냉각, 배기가스 재순환 등과 같이 배기가스와 관련된 다양한 처리를 하는 장치로 정의하고, 위와 같은 처리와 관련된 기능을 하는 요소들은 배기가스 처리장치에 포함되는 것으로 정의한다.

한편 상기 흡기 라인(3)은 상기 디젤 엔진(2)의 흡기 포트에 연결되고 상기 배기 라인(4)은 상기 디젤 엔진(2)의 배기 포트에 연결된다. 상기 터보차저(5)는 상기 디젤 엔진(2)으로부터 상기 배기 라인(4)을 통해 배기되는 배기가스에 의해 구동되어 흡입 공기를 압축하도록 구성된다. 상기 배기가스 정화부(6)는 상기 배기 라인(4)에 설치되어 상기 배기가스로부터 NOx 및 PM 등 오염물을 제거한다.

상기 흡기 라인(3)에는 상기 터보차저(5)의 일부, 예컨대 임펠러(impeller)가 제공될 수 있다. 상기 흡기 라인(3)은 상기 터보차저(5)를 기준으로 상류 측, 디젤 엔진(2)으로부터 상대적으로 더 먼 측에 흡입되는 공기를 정화하기 위한 에어 클리너(32)를 구비한다. 도시하지는 않았지만, 상기 흡기 라인(3)에는 흡기 밸브 등 다른 요소들이 제공될 수 있다. 상기 배기 라인(4)에는 상기 터보차저(5)의 터빈이 제공될 수 있다. 상기 터빈은 배기 라인(4)을 흐르는 배기가스에 의해 구동되어 상기 흡기 라인(3)에 제공된 터보차저(5)의 임펠러를 구동시킨다.

상기 터보차저(5)를 거친 배기가스는 배기가스 정화부(6)를 거치면서 정화된 후 외부로 바로 배기되거나 전술한 EGR 라인(7)를 통해 흡기 라인(3)으로 유입되어 재순환된다. 본 실시예에 있어서, 상기 배기가스 정화부(6)는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)와 DPF(Diesel Particulate Filter)를 차례로 포함한다. 상기 DOC와 상기 DPF는 배기가스 중의 NOx 및 입자상 물질(PM)을 제거하는데 이용된다. 상기 배기가스 정화부(6)는 배기가스 정화를 위한 다른 부품 또는 요소들이 상기 DOC 및/또는 상기 DPF를 대신하거나 또는 상기 DOC 및 상기 DPF에 더하여 추가될 수 있다. 재순환되지 않는 배기가스는 최종적으로 머플러(9)를 지나 외부로 배기된다.

또한, 상기 배기 라인(4)에는 고온의 배기가스를 냉각하는 열교환기(8)가 설치된다. 이때, 상기 열교환기(8)는 배기가스 정화부(6)의 하류 측에 설치되는 것이 좋다. 배기가스 정화부(6)는 촉매 반응을 위해 배기가스가 일정 온도 이상을 갖는 것이 필요할 수 있다. 상기 열교환기(8)는 디젤 엔진(2)에서 발생한 냉각수를 열교환 냉매로 이용한다. 냉각수는 상기 디젤 엔진(2)으로부터 나와 상기 열교환기(8)를 거친 후 다시 디젤 엔진(2)으로 이어진 냉각수관(21)을 통해 흐른다. 냉각수는 상기 열교환기(8)에서 상기 배기가스를 냉각시키는 냉매 작용을 한 후 온도가 상승된 상태로 다시 상기 디젤 엔진(2)으로 회수된다.

상기 EGR 라인(7)은 상기 배기 라인(4)로부터 시작하여 상기 흡기 라인(3)의 복수의 지점, 즉, 세개의 지점으로 이어진다. 이를 위해, 상기 EGR 라인(7)은 상기 배기 라인(4)에 직접 연결되어 그로부터 연장된 하나의 상류 라인(71)과, 상기 상류 라인(71)으로부터 세갈래로 분기되어 상기 흡기 라인(3) 상의 세 지점에 각각 연결된 제1, 제2 및 제3 하류 라인(72a, 72b, 72c)으로 구성된다. 제1, 제2 및 제3 하류 라인(72a, 72b, 72c) 각각은 상기 흡기 라인(3)와 만나는 말단 부근에 제1, 제2 및 3 밸브(73a, 73b, 73c)를 구비한다.

상기 제1, 제2 및 3 밸브(73a, 73b, 73c) 중 하나의 선택적인 개방에 의해, 상기 제1, 제2 및 제3 하류 라인(72a, 72b, 72c) 중 하나를 경유하는 EGR 라인을 만들 수 있다. 더 나아가, 상기 제1, 제2 및 3 밸브(73a, 73b, 73c) 중 2개 이상의 밸브를 개방하여, 2개 이상의 EGR 라인을 만들 수 있다.

상기 EGR 라인(7)이 상기 흡기 라인(3)의 어느 지점에 접속되는지에 따라 EGR 가스의 특성은 달라진다. 따라서 환경 또는 조건에 따라, EGR 라인(7)이 흡기 라인(3)에 접속되는 지점을 선택하는 것이 유리하다.

상기 EGR 라인(7)은 상기 제1 하류 라인(72a)에 의해 상기 흡기 라인(3) 상의 에어 클리너(32)의 전단에 접속될 수 있다. 에어 클리너(32) 전단으로 EGR 배기가스가 유입될 경우, EGR 배기가스가 충분히 더 냉각될 수 있으므로 디젤 엔진(2)으로 유입되는 온도를 최대한으로 낮출 수 있다. 또한, EGR 배기가스 중의 응축수 등을 상기 에어 클리너(32)로 제거할 수 있으므로, 더욱 안전한 EGR 배기가스를 얻을 수 있다. 하지만, 상기 에어 클리너(32)의 전단 위치는 상기 터보차저(5)와 가장 멀리 떨어져 있으므로 응답성을 떨어뜨릴 수 있다.

또한, 상기 EGR 라인(7)은 상기 제2 하류 라인(72b)에 의해 상기 에어 클리너(32)에 인접하는 에어 클리너(32)의 후단에서 상기 흡기 라인(3)에 접속될 수 있다. 이 위치에 접속될 경우, 상기 터보차저(5)까지 흐르는 동안 EGR 배기가스가 냉각되므로 효율적이지만, EGR 배기가스 중의 응축수 등에 의해 터보차저(5)에서 문제를 일으킬 여지가 있다.

상기 EGR 라인(7)은 상기 제3 하류 라인(72c)에 의해 상기 터보차저(5)에 인접하는 터보차저(5)의 전단에서 상기 흡기 라인(3)에 접속될 수 있다. 이 위치에 접속될 경우, 상기 터보차저(5)에 이르는 거리가 가장 가까워 우수한 응답성을 얻을 수 있다. 하지만 ERG 배기가스 중의 응축수로 인한 문제는 가장 심각할 수 있다.

한편, 전술한 열교환기(8)는 상기 EGR 라인(7), 특히, 상류 라인(71)과 배기 라인(4)이 만나는 위치 또는 그와 인접한 상류 측에 위치하는 것이 좋다. 열교환기(8)가 상기 EGR 라인(7)과 배기 라인(4)이 만나는 위치보다 하류에 있다면, 냉각된 EGR 가스를 얻을 수 없을 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

디젤 엔진(2)의 연소실에서 발생한 배기가스는 일부가 배기 라인(4)을 통해 배기된다. 이때, 배기가스는 배기 라인(4)에 구비된 배기가스 정화부(6)의 DOC와 DPF를 지나면서 정화되고, 배기 라인(4)에 있는 열교환기(8)를 통하여 냉각된다. 그 후, 배기가스 일부는 외부로 배기되며, 나머지 일부 배기가스는 EGR 라인(7)을 통해 흡기 라인(3)으로 흐른다. 이때, EGR 라인(7)의 제1, 제2 및 제3 하류 라인(72a, 72b, 72c) 중 하나에 의해 흡기 라인(3) 상의 제1 지점(에어 클리너의 전단), 제2 지점(에어 클리너의 후단) 및 제3 지점(터보차저의 전단) 중 한 곳에 열교환기(8)와 연결하여 냉각된 배기가스를 터보차저(5)의 흡입 압력을 이용하여 디젤 엔진(2)에 흡입 공기와 함께 흡입시킨다.

2: 디젤 엔진 3: 흡기 라인
4: 배기 라인 5: 터보차저
6: 배기가스 정화부 7: EGR 라인
8: 열교환기 9: 머플러
21: 냉각수 라인 71: 상류 라인
32: 에어 클리너
72a, 72b, 72c: 제1, 제2 및 제3 하류 라인
73a, 73b, 73c: 제1, 제2 및 제3 밸브

Claims

디젤 엔진과, 상기 디젤 엔진의 흡기 포트에 연결된 흡기 라인과, 상기 디젤 엔진의 배기 포트에 연결된 배기 라인과, 상기 배기 라인을 통해 배기되는 배기가스에 의해 구동되어 상기 흡기 라인의 흡입공기를 압축하는 터보차저와, 상기 배기 라인에 설치되어 상기 배기가스를 정화하는 배기가스 정화부를 포함하는 디젤 엔진 시스템에서,
배기 라인으로부터 흡기 라인으로 이어지는 EGR 라인; 및
상기 EGR 라인으로 유입되기 전에 배기가스를 냉각시키도록, 상기 배기 라인 상의 상기 EGR 라인과 만나는 위치 또는 그 상류에 설치된 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
청구항 1에 있어서, 상기 EGR 라인은 상기 흡기 라인 상의 복수의 지점에 연결되는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
청구항 1에 있어서, 상기 EGR 라인은 상기 배기 라인에 직접 연결되어 그로부터 연장된 상류 라인과 상기 상류 라인으로부터 분기되어 상기 흡기 라인의 제1, 제2 및 제3 지점에 각각 연결되는 제1, 제2 및 제3 하류 라인을 포함하며, 상기 제1, 제2 및 제3 하류 라인에는 제1, 제2 및 제3 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
청구항 3에 있어서, 상기 제1 지점은 상기 흡기 라인 상의 에어 클리너 전단에 있고, 상기 제2 지점은 상기 흡기 라인 상의 상기 에어 클리너 후단에서 상기 에어 클리너에 인접해 있고, 상기 제3 지점은 흡기 라인 상의 상기 터보차저 전단에서 상기 터보차저와 인접해 있는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.